На образцах неправильной геометрической формы

Среднюю плотность материала можно определить с помощью объемомера или методом гидростатического взвешивания.

Цель работы: определение средней плотности материала методом гидростатического взвешивания.

Теоретическая часть.

Объем образца неправильной геометрической формы определяют методом гидростатического взвешивания, который основан на действии закона Архимеда. В соответствии с этим законом на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости в объеме, занимаемом телом. Поэтому, объем образца определяют по объему вытесненной им жидкости.

I вариант. Для образцов, обладающих открытой пористостью.

I. Материалы и оборудование:

- образцы материала (наименование);

- весы технические с разновесами;

- приспособление для гидростатического взвешивания;

- песчаная баня;

- расплавленный парафин плотностью г/см³.

II. Методика выполнения работы:

- взвесить образец - , г;

- с помощью кисточки покрыть образец парафином для сохранения в его объеме открытых пор;

- взвесить покрытый парафином образец, предварительно охладив его до комнатной температуры - , г;

- провести гидростатическое взвешивание покрытого парафином образца - , г (рис. 1).

Рис.1. Весы для гидростатического взвешивания.

1- П-образная подставка; 2- образец материала; 3 – стакан с водой.

Взвешивание провести с точностью до 0,01 г.

- рассчитать по формуле среднюю плотность образца.

Опыт повторить трижды.

III. Лабораторный журнал:

№ п/п	Масса образца, г	Объем парафина , см3	Объем образца , см3	Средняя плотность
			г/см3	кг/м3

IV.Расчетная часть:

Конечный результат подсчитать как среднее арифметическое из трех определений.

II вариант. Для образцов плотной структуры.

I. Материалы и оборудование:

- образцы материала (наименование);

- весы технические с разновесами;

- приспособление для гидростатического взвешивания;

- песчаная баня;

- сосуд с водой.

II. Методика выполнения работы:

- взвесить образец - , г;

- поместить образец в сосуд с водой, выдержать в течение 2 ч до полного насыщения открытых пор и микротрещин водой. Уровень воды в сосуде должен быть на 20 мм выше поверхности материала;

- извлечь образец из воды, протереть мягкой влажной тканью;

- взвесить насыщенный водой образец на воздухе - , г;

- провести гидростатическое взвешивание образца - , г.

Взвешивание провести с точностью до 0,01 г.

- рассчитать среднюю плотность.

Опыт повторить трижды.

III. Лабораторный журнал:

№ п/п	Масса образца, г	Средняя плотность
			г/см3	кг/м3

IV. Расчетная часть:

Конечный результат подсчитать как среднее арифметическое из трех определений.

Лабораторная работа №3

Определение истинной плотности материала.

Цель работы: определение истинной плотности керамического кирпича пикнометрическим методом. Оценка правильности полученного результата.

I. Теоретическая часть.

Истинная плотность – масса единицы объема материала в абсолютно плотном состоянии (без пор и пустот).

,

где - истинная плотность, г/см³;

- масса материала в абсолютно плотном состоянии, г.

- объем материала в абсолютно плотном состоянии, см³;

- объем материала в естественном состоянии, см³;

- объем пор, заключенных в материале, см³.

II. Материалы и оборудование:

- тонкомолотый порошок керамического кирпича, высушенный до постоянной массы (30-40 г);

- дистиллированная вода;

- пикнометр – калиброванная мерная колба (рис.2);

Рис.2

- весы технические с разновесами;

- пипетка;

- песчаная баня;

- стеклянная воронка;

- фильтровальная бумага;

- сухая салфетка.

III. Методика выполнения работы:

- взвесить пустой пикнометр - , г;

- взвесить пикнометр с материалом (15-20 г) - , г;

- долить в пикнометр воды на ¼ широкой части колбы и прокипятить содержимое 7-10 мин для удаления вовлеченного воздуха на песчаной бане, поворачивая пикнометр вокруг оси в наклонном положении при легком постукивании о колбу пальцем;

- охладив пикнометр, долить в него дистиллированную воду до метки;

- взвесить пикнометр с водой и материалом - , г;

- освободить пикнометр от содержимого и тщательно промыть водой;

- залить пикнометр дистиллированной водой до метки и взвесить - , г.

Перед взвешиванием пикнометр снаружи досуха протереть салфеткой.

- рассчитать истинную плотность.

Взвешивание производить с точностью до 0,01 г. Опыт повторить трижды.

Примечание: работа должна выполняться с особой тщательностью, так как ошибка во взвешивании даже в 0,01 г влечет за собой получение неверного результата.

IV. Лабораторный журнал:

№ опыта	Масса пикнометра, г	Масса матери-ала	Объем материала, см3	Плотность
пустого	с мат- лом	с мат. и водой	с водой	г/см3	кг/м3
				- m1

Истинную плотность вычисляют как среднее арифметическое 3-х определений.

V. Заключение: Полученный результат (не) лежит в пределах реальных значений.

Лабораторная работа № 4

Определение насыпной плотности песка и щебня.

Цель работы: определение насыпной плотности кварцевого песка и щебня в свободно насыпанном состоянии. Оценка правильности полученных результатов.

I. Теоретическая часть.

Насыпная плотность – масса единицы объема материала в свободно насыпанном состоянии (в насыпной объем включены межзерновые пустоты):

,

где - масса материала в насыпном состоянии, г;

- насыпная плотность, г/см³;

- насыпной объем, см³.

Насыпную плотность определяют как в рыхлонасыпном состоянии, так и в уплотненном. В первом случае материал засыпается в сосуд с определенной высоты, во втором – уплотняется на виброплощадке (30-60 сек).

II. Материалы и оборудование:

- высушенные кварцевый песок, щебень;

- торговые весы;

- прибор «Стандартная воронка»;

- линейка;

- мерный сосуд объемом 1 и 5 л.

III. Методика выполнения работы (для определения насыпной плотности песка):

- взвесить мерный сосуд - , г;

- в «Стандартную воронку», установленную на поддон, засыпать песок при закрытом затворе;

- одним приемом, открыв затвор, заполнить песком мерный сосуд до образования конуса над его краями;

- удалить избыток песка, проводя линейкой по верхней части образующей сосуда;

- взвесить мерный сосуд, заполненный песком, - , г;

- рассчитать насыпную плотность песка.

Взвешивание произвести с точностью до 1 г. Опыт повторить трижды.

IV. Лабораторный журнал.

№ п/п	Мерный сосуд	Масса сосуда с песком, г	Масса песка, г	Насыпная плотность
Объем, см3	Масса, г	г/см3	кг/м3

За окончательный результат принять среднее значение 3-х определений.

V. Методика выполнения работы (для определения насыпной плотности щебня):

- взвесить пустой сосуд объемом 5 л - , г;

- засыпать щебень в сосуд совком с высоты 10 см до образования конуса над краями, предварительно поставив его на поддон;

- излишек щебня срезать линейкой вровень с краями;

- взвесить сосуд, заполненный щебнем - m₂, г;

- рассчитать насыпную плотность щебня.

Взвешивать с точностью до 1г.

VI. Лабораторный журнал.

№ п/п	Мерный сосуд	Масса сосуда с щебнем, г	Масса щебня, г	Насыпная плотность
Объем, см3	Масса, г	г/см3	кг/м3

VII. Заключение: Полученный результат (не) лежит в пределах реальных значений ().

Определение пустотности сыпучих материалов.

Цель работы: определить пустотность песка и щебня. Установить зависимость пустотности от величины зерен сыпучего материала. Оценить правильность полученных результатов.

I. Теоретическая часть.

Пустотность – это доля межзерновых пустот в насыпном объеме материала.

Расчетная формула:

,

где - пустотность, доли или %;

V_пуст – объем пустот в насыпном объеме материала, см³;

V – объем материала, см³.

Пустотность можно выразить и в %

Пустотность – важнейшая характеристика правильности подбора зернового состава заполнителей для бетонов, от которого зависит расход вяжущего (цемента, битума и др.). На практике пустотность лежит в пределах 26,5 – 47,6%.

II. Лабораторный журнал:

Материал	Насыпная плотность, г/см3	Средняя плотность, г/см3	Пустотность, %
Песок
Щебень

За окончательный результат принять среднее значение пустотности из трех определений.

III. Заключение:

С увеличением размера зерен (от 0,63 до 10 мм) пустотность (увеличивается, уменьшается) с ()по ().

Полученные результаты пустотности (не)входят в стандартные значения.

Определение водопоглощения материалов.

Цель работы: определение водопоглощения керамического кирпича. Оценка правильности полученных результатов.

I.Теоретическая часть.

Водопоглощение – свойство материала поглощать и удерживать воду при непосредственном контакте с ней. Водопоглощение может быть массовым и объемным:

Массовое водопоглощение – это отношение массы поглощенной материалом воды при стандартных условиях к массе сухого материала в %:

Объемное водопоглощение – это отношение объема поглощенной материалом воды при стандартных условиях к объему материала в сухом состоянии в %:

,

где B_m – массовое водопоглощение, %;

B_v – объемное водопоглощение, %;

m_н - масса материала, насыщенного водой при стандартных условиях, г;

m – масса воздушно-сухого материала, г;

V – объем воздушно-сухого материала, см³;

- объем поглощенной воды.

Соотношение между массовым и объемным водопоглощением:

; B_v=dB_m

II. Материалы и оборудование:

- керамические кирпичи;

- торговые весы с разновесами;

- штангенциркуль и линейка;

- ванна с водой.

III. Методика выполнения работы:

- высушить кирпичи (3 шт) до постоянной массы при температуре 105-110 ⁰С (разность результатов 2-х последовательных взвешиваний не более 0,2%). Взвешивание произвести после полного остывания кирпичей – m, г;

- измерить геометрические размеры кирпичей с точностью до 0,1 см;

- произвести насыщение кирпичей водой при температуре воды 15-20 ⁰С в течение 48 часов при уровне воды на 2-10 см выше верха кирпичей;

- обтерев кирпичи влажной тканью, немедленно взвесить их – m_н, г.

Взвешивать с точностью до 1 г.

IV. Лабораторный журнал:

V. Заключение:

Полученные результаты водопоглощения по массе () и объему () керамического кирпича лежат в пределах стандартных значений (требования ГОСТ приведены в приложении 1).

Лабораторная работа №7.

Определение пористости материалов.

Цель работы: определение пористости керамического кирпича. Оценка правильности полученных результатов.

I. Теоретическая часть.

Пористость – это доля заполнения объема материала порами. Общая пористость (или просто пористость) (П_о):

,

где V_пор – объем пор в материале, см³ (м³);

V – объем материала в естественном состоянии, см³ (м³);

V_а – объем материала в абсолютно плотном состоянии (без пор), см³ (м³);

- средняя плотность материала, г/см³ (кг/м³);

- истинная плотность материала, г/см³ (кг/м³).

Пористость можно выразить и в процентах:

От величины пористости и ее характера зависят важнейшие свойства материала: плотность, прочность, теплопроводность, долговечность и др.

Пористость в материале характеризуется как открытыми, так и закрытыми порами.

Открытые поры увеличивают водопоглощение и водопроницаемость материала и ухудшают его морозостойкость.

Увеличение закрытой пористости за счет открытой увеличивает долговечность материала, снижает его теплопроводность.

Общая пористость складывается из открытой и закрытой. Открытая пористость численно равна объемному водопоглощению материала. Определив водопоглощение по объему и пористость материала, можно легко вычислить закрытую пористость:

, %

Коэффициент насыщения пор водой – отношение объемного водопоглощения к пористости:

Этот коэффициент изменяется от 0 (все поры в материале замкнуты) до 1 (все поры открыты).

Чем больше К_н, тем выше доля открытых пор.

II. Ход работы.

- величину средней () и истинной плотности взять из лабораторной работы №1 и №3;

- подсчитать значение общей пористости керамического кирпича (П_о);

- пользуясь данными, полученными в работе №6, определить открытую и закрытую пористость и коэффициент насыщения пор водой.

Данные занести в лабораторный журнал.

III. Лабораторный журнал:

№ п/п	Плотность кирпича	Пористость, %	Коэффициент насыщения пор водой
истин- ная , г/см3	средняя г/см3	Общая	Открытая	Закрытая

За окончательный результат принять среднее значение пористости из трех определений.

IV. Заключение: Полученные результаты пористости (не)входят в стандартные значения.

Лабораторная работа №8.

Определение влажности материалов.

I. Теоретическая часть.

Гигроскопичность это способность материала поглощать и конденсировать влагу из окружающего воздуха. Оценивается влажностью.

Влажность – это содержание влаги в материале в данный момент времени.

Расчетная формула:

или ,

где m_вл – масса материала в естественном состоянии, г;

m – масса сухого материала, г.

II. Материалы и оборудование:

- кварцевый песок;

- бюксы;

- сушилка радиационная;

- эксикатор;

- технические весы с разновесами.

III. Методика выполнения работы:

- взвесить пустой бюкс – m₁, г;

- взвесить бюкс с влажным песком – m₂, г;

- поместить бюкс с песком в радиационную сушилку на 10 мин;

- охладить бюкс с песком в эксикаторе и взвесить – m₃, г;

- сушку производить до постоянной массы;

- рассчитать влажность песка.

За конечный результат принять среднее арифметическое из 3-х параллельных определений при условии, что относительное отклонение отдельного результата от среднего значения не превышает 5%.

IV. Лабораторный журнал:

№ п/п	Масса бюкса, г	Масса бюкса с сухим песком, г	Влажность, %
пустого	с влаж-ным песком
m1	m2

V. Заключение: Влажность кварцевого песка равна - %.

Определение прочности при сжатии и коэффициента конструктивного качества материалов.

Цель работы: изучить принцип действия гидравлического пресса и приобрести навыки работы на нем. Произвести испытание на сжатие материалов и сделать вывод о их прочностной эффективности.

I. Теоретическая часть.

Прочность – свойство материала сопротивляться внутренним напряжениям и деформациям, которые возникают под действием внешних факторов (силовых, тепловых и т.д.), не разрушаясь.

Прочность материала оценивается пределом прочности, который условно равен максимальному напряжению, возникшему в материале под нагрузкой, вызвавшей разрушение материала.

На практике предел прочности определяют путем разрушения стандартных образцов при сжатии, изгибе или разрыве.

Предел прочности при сжатии:

,

где N – разрушающая нагрузка, Н (или кгс);

А – площадь поперечного сечения образца, м² (или см²).

Существует следующая зависимость между единицами измерения:

,

Для оценки прочностной эффективности материала часто используют коэффициент конструктивного качества (к.к.к.), который определяют по формуле:

,

где R – предел прочности при сжатии, МПа;

d – относительная плотность.

Наиболее эффективными являются материалы, имеющие наименьшую плотность и наиболее высокую прочность.

II. Материалы и оборудование:

- образцы различных материалов;

- гидравлический пресс;

- штангенциркуль;

- весы с разновесами.

III. Методика выполнения работы:

- взвесить образец с точностью до 1 г;

- определить геометрические размеры образцов с точностью до 0,01 см;

- провести испытание образцов на сжатие на гидравлическом прессе:

- установить образец на нижнюю опорную плиту пресса точно по ее центру;

- установить на ноль стрелки силоизмерителя;

- опустить верхнюю опорную плиту с помощью винта для плотного закрепления образца между опорными плитами;

- включить насос пресса, предварительно убедившись, что вентиль сброса масла закрыт, и дать на образец нагрузку, отрегулировав скорость ее приложения (зависит от вида материала и размеров образца);

- зафиксировать момент разрушения образца, при котором стрелка силоизмерителя останавливается и начинает двигаться обратно;

- выключить пресс и открыть вентиль сброса масла, вентиль подачи масла закрыть;

- поднять верхнюю опорную плиту, убрать разрушенный образец и тщательно очистить плиту от остатков материала.

Каждый материал испытать не менее, чем на трех образцах.

IV. Лабораторные журналы:

ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ ПРИ СЖАТИИ.

№ п/п	Материал	Размеры поперечного сечения, см	Площадь поперечного сечения образца,см2	Разруш. нагрузка, кгс   N	Предел прочности
а		кгс/см2	МПа

КОЭФФИЦИЕНТ КОНСТРУКТИВНОГО КАЧЕСТВА.

№ п/п	Материал	Размеры образца	Масса образца, m, г	Относ. плотность	Rсж, МПа	к.к.к.= =
площадь А, см2	высота h, см	объем V=Аh, см3

V. Заключение: Сравнить образцы по величине к.к.к. и объяснить причины различия.

Определение коэффициента размягчения.

Цель работы: определить коэффициент размягчения древесины. Оценить возможность ее использования в качестве конструкционного материала во влажных условиях.

I. Теоретическая часть:

Прочность древесины в сухом состоянии всегда выше прочности в водонасыщенном состоянии, так как вода, проникая в поры, создает в материале внутренние напряжения, что снижает его прочность. Это учитывается коэффициентом размягчения, который является количественной характеристикой водостойкости.

,

где R_нас – прочность древесины в насыщенном водой состоянии, МПа;

R_сух - прочность древесины в сухом состоянии, МПа.

II. Материалы и оборудование:

- стандартные образцы древесины (2х2х3 см) – 3 шт – насыщенные водой, 3 шт – воздушно-сухие;

- штангенциркуль;

- гидравлический пресс.

III. Методика выполнения работы:

- измерить размеры сечения образцов с точностью до 0,01 см;

- испытать образцы на сжатие вдоль волокон на гидравлическом прессе;

- рассчитать коэффициент размягчения.

IV. Лабораторный журнал:

Образцы	№ п/п.	Геометрические размеры	Площадь сечения А=bl, см2	Разру-шающая нагрузка N, кгс	Предел прочности при сжатии	Коэф-т размягче-ния
а, см	ширина b, см	Rсух, МПа	Rнас, МПа
Сухие							- - -
Насыщенные водой						- - -

V. Заключение:

Данный материал (можно, нельзя) применять во влажных условиях, т.к. К_р =, а значит он является (водостойким, неводостойким).

Лабораторная работа №11.

Определение предела прочности при изгибе.

Цель работы: определить предел прочности при изгибе для различных материалов. Оценить возможность их использования в условиях изгибающих нагрузок.

I. Теоретическая часть.

Предел прочности при изгибе для балочек прямоугольного сечения:

,

где М_изг – изгибающий момент;

W – момент сопротивления сечения балочки.

Для прямоугольного сечения момент сопротивления равен:

1) при одной сосредоточенной симметричной относительно опор нагрузке:

, ,

тогда

2) при двух сосредоточенных симметричных относительно опор нагрузках:

, ,

,

где N – разрушающая нагрузка, Н;

L – длина балочки, м;

l – расстояние между опорами, м;

b и h – соответственно ширина и высота балочки.

II. Материалы и оборудование:

- стандартные образцы – балочки из гипса, цемента и древесины (по 3 шт каждого материала);

- гидравлический пресс;

- приспособление для испытания балочек на изгиб;

- штангенциркуль.

III. Методика выполнения работы:

- определить геометрические размеры поперечных сечений образцов с точностью до 0,01 см;

- измерить расстояние между опорами у приспособления для испытания балочек на изгиб l с точностью до 0,01 см;

- провести испытание балочек на изгиб на гидравлическом прессе;

- определить разрушающую нагрузку, кгс (кН);

- привести схему испытаний;

- рассчитать предел прочности при изгибе, кгс/см² (МПа).

IV. Лабораторный журнал:

V. Заключение:

Сделать вывод о возможности использования того или иного материала в условиях изгибающих нагрузок.

Определение морозостойкости материалов.

Цель работы: определить марку по морозостойкости цементного бетона. Познакомиться с методами ее определения.

I. Теоретическая часть:

Морозостойкость – это свойство насыщенного водой или раствором соли материала выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без значительных признаков разрушения и снижения прочности. Количественная характеристика морозостойкости – марка по морозостойкости (F), которая показывает число циклов попеременного замораживания и оттаивания насыщенного в жидкой среде материала, при которых потери прочности и массы не превышают указанных в ГОСТе и СНиПах значений.

;

- потеря прочности и массы, насыщенного в жидкой среде образца, после i циклов замораживания и оттаивания, %;

- предел прочности при сжатии(в МПа) и масса (в г) образца после n циклов замораживания и оттаивания образца;

- предел прочности при сжатии (в МПа) и масса образца (в г), насыщенного в жидкой среде, до замораживания.

Для каждого материала устанавливают марки по морозостойкости. Марка обозначается буквой F, после которой указывается минимальное число циклов, которое должен выдержать материал (например, F100).

Марка по морозостойкости (F) для тяжелого цементного бетона – это количество циклов попеременного замораживания и оттаивания насыщенного водой стандартного образца, при которых потеря прочности не превышает 5%, а для бетона дорожных и аэродромных покрытий, кроме того, потеря массы не более чем на 3% (ГОСТ ……).

Стандарт устанавливает три метода контроля морозостойкости:

I – для бетонов, кроме дорожных и аэродромных;

II – для дорожных и аэродромных бетонов и ускоренный для других бетонов;

III – ускоренный для всех видов бетона.